陳 亮，曾永軍

(廣東省南粵交通韶贛高速公路管理中心，廣東 韶關(guān) 512522)

0 引言

小北山1號隧道F3 斷裂于地表 ZK16+500(K16+460)通過隧址區(qū)。斷層范圍大，斷裂帶通過隧道(K16+150～K16+600)處范圍圍巖破碎、裂隙發(fā)育，易形成地下水的通道及富集帶，圍巖級別低。隧道掘進(jìn)至 ZK16+480時，掌子面右半幅圍巖由質(zhì)地堅硬的中風(fēng)化花崗巖突變?yōu)槿L(fēng)化輝綠巖，塌方堆積體約 280m3，為松散土狀，整體呈深灰綠色。隧道全斷面開挖會對破碎帶土體帶來擾動，甚至導(dǎo)致隧道掌子面發(fā)生塌方，對隧道施工安全帶來影響，不宜采用全斷面開挖方法。

1 FLAC3D 模擬隧道分部開挖法

采用 FLAC3D 有限元法對不同的開挖工法進(jìn)行模擬，比較不同工法對隧道結(jié)構(gòu)的影響，分析不同圍巖等級下隧道開挖掌子面處的狀態(tài)，得出在斷層破碎帶中進(jìn)行隧道開挖需要減少對圍巖體的擾動，以保證隧道開挖的安全。

1.1 建立數(shù)值模型

隧道開挖工法見表 1，計算模型如圖1所示。通過模擬計算分析，考察隧道動態(tài)施工觸發(fā)圍巖的位移、應(yīng)力和塑性區(qū)的特性及其對隧道結(jié)構(gòu)的影響，為工程提供建議的施工方法。

表1 開挖工法

圖1 FLAC3D計算模型

對于隧道斷層富水段的計算，采用 FLAC3D 有限元法計算隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力，圍巖和初期支護(hù)均采用實(shí)體單元模擬，圍巖采用 Mohr-Coulomb 本構(gòu)關(guān)系，初期支護(hù)單元采用彈性本構(gòu)。模型寬 221m，高 145m，縱向長度等于開挖長度為 60m，隧道中心計算水頭高度159m。模型考慮水的影響，采用流固耦合計算，在整個開挖模擬過程中主要監(jiān)測隧道拱頂處的沉降位移和隧道拱底的位移。模型邊界條件：模型左右邊界方向約束X方向位移,固定孔隙壓力采用透水邊界；前后邊界方向約束Y方向位移,允許孔隙水壓力變化；底面約束Z方向位移,固孔隙壓力采用透水邊界；頂面為自由面。在開挖過程中由于隧道周邊圍巖破碎，且隧道處于富水地段，施工對開挖隧道進(jìn)行及時支護(hù)，為減少對圍巖體的擾動，開挖進(jìn)尺選為1m。

1.2 不同工法對隧道結(jié)構(gòu)的影響

1.2.1 兩種三臺階法之間的比較

在 FLAC3D 中模擬三臺階法開挖時，將第一種三臺階法的上臺階長度控制在 5m，第二種臺階法的上臺階長度控制在 10m，以比較不同臺階長度對計算結(jié)果的影響。考慮到邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響，分析計算結(jié)果時以模型 30m處的結(jié)果為參考。

圖2 上臺階為 5m的三臺階法豎向位移云圖

圖3 上臺階為10m的三臺階法豎向位移云圖

圖2和圖3分別列出了考慮流固耦合效應(yīng)下兩種不同上臺階長度的三臺階法的圍巖位移分布，可以發(fā)現(xiàn)兩者的位移基本成對稱分布，位移場分布也大致相同。隧道頂部位移表現(xiàn)為隧道開挖后拱頂下沉，并帶動上方一定區(qū)域內(nèi)的圍巖產(chǎn)生向下位移，5m上臺階開挖的三臺階法其頂部的沉降量為 4.03cm，以 10m上臺階開挖的三臺階法其頂部的沉降量為 4.35cm。兩種工法開挖的最大正向位移值分別為 10.58cm 和 11.11cm，出現(xiàn)在隧道的拱底，表現(xiàn)為由于隧道開挖卸載和強(qiáng)大的水壓作用引起底部回彈。

圖4 上臺階為 5m的三臺階法初期支護(hù)最大主應(yīng)力圖

圖5 上臺階為10m的三臺階法初期支護(hù)最大主應(yīng)力圖

圖6 上臺階為 5m的三臺階法圍巖塑性區(qū)

圖7 上臺階為10m的三臺階法圍巖塑性區(qū)

圖4至圖7分別為兩種不同三臺階開挖方式下隧道初期支護(hù)上的最大主應(yīng)力云圖和隧道圍巖塑性區(qū)分布圖。從圖中可以直觀地發(fā)現(xiàn)兩種開挖方式下最大主應(yīng)力值分布形式大致相同，均出現(xiàn)在初期支護(hù)的拱腳處，其中上臺階為 5m的三臺階法其拱腳處最大主應(yīng)力值稍大，為 2.816MPa;上臺階為 10m的三臺階法其拱腳處最大主應(yīng)力值為 2.692MPa。對比兩種工法下塑性區(qū)的分布圖，可以發(fā)現(xiàn)兩種工法在開挖過程中出現(xiàn)過塑性區(qū)的范圍大致相當(dāng)。兩種工法均在隧洞周圍形成閉合的塑性區(qū)，雖然上下臺階均為 10m的三臺階法塑性區(qū)半徑較上臺階 5m下臺階 10m的三臺階法略小，但隧道頂部的塑性區(qū)一直存在。總的來說上臺階 5m下臺階10m的三臺階法與上、下臺階均為 10m的三臺階法相比較，兩者之間的差異并不明顯?？紤]隧道在斷層破碎帶中開挖，應(yīng)盡量減小圍巖變性和沉降，以隧道拱頂沉降量作為首要參考因素，上臺階 5m下臺階10m的三臺階法能更好地防止隧道頂部發(fā)生塌落。

1.2.2 兩臺階法與三臺階法比較

采用 FLAC3D 模擬兩臺階時臺階的長度控制為 10m，從計算結(jié)果來看兩臺階開挖的位移場分布狀態(tài)和三臺階法的位移場分布沒有很大區(qū)別，同樣也是對稱分布的狀態(tài)。在模擬計算過程中，考慮到兩臺階開挖時一次開挖范圍較大，對隧道周邊巖土體造成的擾動較大，通過增加計算步數(shù)的形式來模擬開挖對地應(yīng)力的二次影響的程度。從計算結(jié)果來看，采用兩臺階開挖時，隧道拱頂?shù)某两盗勘热_階開挖時要大，達(dá)到了 4.73cm。引起沉降量增大的原因主要還是由于開挖對上部土體擾動與比三臺階相比要大，此外支護(hù)施加也沒有三臺階法及時。

圖8 兩臺階法豎向位移云圖

圖9 上臺階為10m的三臺階法豎向位移云圖

圖10 兩臺法初期支護(hù)最大主應(yīng)力圖

圖11 上臺階為10m的三臺階法初期支護(hù)最大主應(yīng)力圖

比較兩種工法下隧道初期支護(hù)上的最大主應(yīng)力值云圖，可以發(fā)現(xiàn)兩臺階法最大主應(yīng)力分布云圖與三臺階相比大致相同，其拱腳處的最大主應(yīng)力值同樣是初期支護(hù)上最大的，數(shù)值為 2.99MPa，與三臺階法相比要稍大些。兩臺階法其初期支護(hù)底部的位移量雖然沒有三臺階法大，但初期支護(hù)底部的最大主應(yīng)力值仍比三臺階法大，數(shù)值為1.16MPa。從圖12和圖13可以看出，兩種工法的塑性區(qū)半徑大致相同。但是兩臺階法除了在拱底出現(xiàn)了受拉塑性區(qū)外，其左右拱肩處的受拉塑性區(qū)范圍較大，容易造成兩側(cè)土體破壞，引起垮塌。

圖12 兩臺階法圍巖塑性區(qū)

圖13 上臺階為10m的三臺階法圍巖塑性區(qū)

1.2.3 核心土法與上臺階為 5m的三臺階法比較

從之前的計算結(jié)果比較來看,盡量減小對圍巖體的擾動，及時支護(hù)可以使隧道拱頂沉降量減小，避免塌方的發(fā)生。進(jìn)一步的，模擬核心土長度為 5m，下臺長度為10m的預(yù)留核心土法開挖，將其計算結(jié)果與上臺階 5m下臺階 10m的三臺階開挖法進(jìn)行比較，兩者的位移云圖、初期支護(hù)上最大主應(yīng)力圖以及圍巖塑性區(qū)分布圖見圖14和圖15所示。

圖14 核心土法豎向位移云圖

圖15 上臺階為5m的三臺階法豎向位移云圖

分析計算結(jié)果可以得到：預(yù)留核心土法開挖引起的頂部沉降和底部回彈比三臺階法要略小一些，頂部沉降量為 3.98cm，底部位移為 10.23cm。核心土法開挖初期支護(hù)上的最大主應(yīng)力也較三臺階法小。在塑性區(qū)的分布上，兩者在隧道底部和隧道的拱肩部均出現(xiàn)了受拉塑性區(qū)，核心土法圍巖塑性區(qū)半徑比三臺階法大。

圖16 核心土法初期支護(hù)最大主應(yīng)力圖

圖17 上臺階為5m的三臺階法初期支護(hù)最大主應(yīng)力圖

圖18 核心土法圍巖塑性區(qū)

圖19 上臺階為5m的三臺階法圍巖塑性區(qū)

2 四種工法對比分析

將四種工法Y=30m斷面處的隧道拱頂下沉、底部隆起繪制成圖表，進(jìn)行直觀比較，見表2。采用兩臺階法開挖引起的拱頂下沉為最大，而底部隆起最大出現(xiàn)在上下臺階均為 10m的三臺階法中，采用預(yù)留核心土法時得到的底部隆起和拱頂沉降量是四種工法中最小的。四種工法的拱底隆起位移均在10cm以上，這對仰拱的施工，以及隧道初期支護(hù)提出了較高的要求。

表2 四種工法拱頂沉降與拱底位移量

四種工法初期支護(hù)上最大主應(yīng)力值匯總見表3。初期支護(hù)上的最大主應(yīng)力值均出現(xiàn)在初期支護(hù)的左右拱腳處，預(yù)留核心土法的初期支護(hù)上拱腳最大主應(yīng)力是四種工法中最小的。初期支護(hù)作為重要的承載結(jié)構(gòu)，在維護(hù)隧道穩(wěn)定的同時勢必承受較大的圍巖應(yīng)力，在軟弱破碎圍巖狀態(tài)下，加上地層中較高的水壓，使得初期支護(hù)在拱頂和拱底位移較大的情況下，整個支護(hù)結(jié)構(gòu)在拱腳處出現(xiàn)較大的應(yīng)力值。

表3 初期支護(hù)上最大主應(yīng)力值

四種工法進(jìn)行隧道開挖過程中，在隧道四周的巖層中均出現(xiàn)閉合的塑性區(qū)，在支護(hù)結(jié)構(gòu)底部的圍巖均出現(xiàn)了受拉塑性區(qū)。四種工法頂部和拱肩處的塑性區(qū)存在著一定的差別，差別主要在于拱肩處受拉塑性區(qū)的范圍。從計算結(jié)果可見,兩臺階法施工引起的塑性區(qū)范圍最大，從拱肩一直延伸至拱腳附近，其他三種工法受拉塑性區(qū)范圍大致相同。

3 結(jié)論

通過對小北山隧道擬采用的幾種工法的數(shù)值計算與對比，得出如下結(jié)論：

采用 FLAC3D 有限元模擬分部開挖的幾種工法，考慮水的影響所得的計算結(jié)果表明拱底隆起位移較大，在施工過程中需要注意。計算結(jié)果顯示，盡量減小對圍巖體的擾動可以對隧道頂部的沉降控制起到一定的作用，拱肩處出現(xiàn)的受拉塑性區(qū)在施工過程中容易造成洞室的整體失穩(wěn)，需要及時支護(hù)。所模擬的四種工法中預(yù)留核心土法安全可靠度最高，為施工安全綜合考慮，F(xiàn)3斷裂帶部分采用了該種施工方法。實(shí)際施工時，在左幅ZK16+480～ZK16+518及右幅K16+150～K16+600段采用了預(yù)留核心土法，隧道順利掘進(jìn)，取得了較好的效果。隧道通車后，該段落未發(fā)現(xiàn)二襯砼存在異常情況，隧道通車運(yùn)營情況良好。